Oszczędzanie energii elektrycznej jest konieczne w każdej branży. Rosnące ceny są ważną, ale nie jedyną przyczyną pilnego poszukiwania sposobów zmniejszenia zużycia energii. Skłaniają do tego także zmiany przepisów oraz oczekiwania klientów, którzy są skłonni wybierać produkty i usługi nieobciążające środowiska naturalnego – w szczególności te, które co najmniej redukują ślad węglowy, choć już dziś najbardziej pożądane są rozwiązania bezemisyjne.

Z informacji opublikowanych przez Urząd Regulacji Energetyki wynika, że ceny energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym szybko rosną od 2017 roku. Wtedy 1 MWh kosztowała 163,7 zł, w 2019 roku osiągnęła cenę 245,44 zł. W 2021 roku trzeba było za nią zapłacić 278,08 zł. Nic nie wskazuje na to, że ceny się ustabilizują. Przeciwnie, niepewna sytuacja ekonomiczna, wojna w Ukrainie i ograniczony dostęp do surowców sprzyjają dalszym wzrostom.

Oszczędności szuka się w pierwszej kolejności tam, gdzie zużycie energii jest największe. W przemyśle ciężkim będą to procesy metalurgiczne, spawanie, obróbka skrawaniem. W innych gałęziach gospodarki, np. związanych z utrzymaniem budynków, procesami chemicznymi, dostarczaniem mediów, oczyszczaniem ścieków istotnym składnikiem kosztów jest energia elektryczna pobierana przez urządzenia HVAC, pompy, wentylatory, napędy zaworów, zasuw itp.

Z danych publikowanych przez Unię Europejską wynika, że różnego rodzaju silniki elektryczne odpowiadają za zużycie około 50% energii elektrycznej w UE. Według innych statystyk w skali całego świata silniki zużywają około 30% produkowanej energii elektrycznej. Jeśli chodzi o zastosowania przemysłowe, silniki zużywają ok. 60% energii elektrycznej. Z tych danych wynika niezbicie, że każda zmiana poprawiająca efektywność energetyczną napędów elektrycznych, która zostanie szeroko zaimplementowana, wpłynie na losy świata i poziom życia ludzi. Jednakowo ważne jest zastępowanie starych silników nowoczesnymi urządzeniami i stosowanie rozwiązań zmniejszających zużycie energii.

Jak oszczędzać energię?

Jak zaoszczędzić energię, nie wymieniając silników elektrycznych na nowsze? Jak maksymalnie wykorzystać możliwości najnowocześniejszych silników? Jednym z najskuteczniejszych sposobów jest optymalizacja warunków pracy silnika. To pojęcie jest bardzo szerokie i obejmuje wiele działań, mających na celu ograniczenie strat energii: dopracowanie układu mechanicznego, mające na celu zmniejszenie strat spowodowanych tarciem, dopasowanie prędkości i momentu obrotowego do rzeczywistszych potrzeb, rekuperację energii.

Z punktu widzenia automatyki przemysłowej oraz HVAC bardzo skutecznym sposobem redukcji zużycia energii elektrycznej jest wykorzystanie przetworników częstotliwości, nazywanych także falownikami. W ogólnym zarysie ich działanie polega na ukształtowaniu przebiegu prądu zasilającego silnik w taki sposób, żeby uzyskać parametry pracy optymalne w danej chwili. Ten proces odbywa się w kilku etapach: prąd zasilający o stałej częstotliwości sieci energetycznej 50 Hz jest prostowany i filtrowany, a następnie zamieniany na prąd przemienny, którego częstotliwość jest regulowana w szerokim zakresie.

W rezultacie można uzyskać pożądaną prędkość obrotową silnika, ale także poprawić efektywność wykorzystania energii elektrycznej. Taki sposób zasilania przynosi najwięcej korzyści tam, gdzie silnik rzadko powinien osiągać maksymalną prędkość obrotową. Dobrymi przykładami są wentylatory, dmuchawy, pompy, napędy zaworów i zasuw w układach hydraulicznych, pneumatycznych, transportu gazów itp.

Są i takie aplikacje, w których falowniki mogą zwiększyć zużycie energii: urządzenia, w których silniki najdłużej pracują przy nominalnej częstotliwości sieci. Falowniki mają sprawność niższą niż 100%, więc w takim przypadku silnik bez falownika pobiera mniej energii niż z nim. Można temu zapobiegać, stosując przetworniki częstotliwości Mitsubishi Electric z funkcją „by pass”. Jeśli nie ma potrzeby regulowania częstotliwości, silnik jest zasilany bezpośrednio z sieci, z pominięciem prostownika i falownika.

Jak dobrać silnik?

Tradycyjnie silnik dobiera się tak, aby znamionowa prędkość obrotowa, maksymalna moc i moment obrotowy miały wartości spełniające założenia projektowe. W rzeczywistości tylko w nielicznych urządzeniach silniki pracują ze stałym obciążeniem. W większości przypadków zapotrzebowanie na moc zmienia się w zależności od fazy pracy i obciążenia napędzanego urządzenia. Na przykład pokonanie oporów ruchu i bezwładności napędzanych części w fazie rozruchu wentylatora obciąża silnik bardziej niż stabilna praca po osiągnięciu zadanych obrotów.

Przemienniki częstotliwości pozwalają na optymalizację pracy silnika w niemal każdej sytuacji, ale wymagają starannej parametryzacji na etapie montażu i pierwszego uruchomienia. W zależności od konstrukcji przemiennik częstotliwości może np. rozpoznawać parametry pracy silnika na podstawie zmierzonych wartości natężenia prądu i częstotliwości, w innych przypadkach potrzebne może być sprzężenie zwrotne w postaci informacji np. o prędkości obrotowej silnika.

Przemienniki częstotliwości są wyposażane w kontroler, który może realizować kilka algorytmów sterowania silnikiem. Niemal każdy udostępnia tryb oszczędzania energii (ang. energy saving), który jest najskuteczniejszy po dokładnym „zestrojeniu” przemiennika częstotliwości z napędzanym silnikiem w warunkach rzeczywistego obciążenia. Ten proces można uprościć, korzystając z falowników mierzących stałe obwodu silnika, tak jak ma to miejsce w falownikach Mitsubishi Electric.

Urządzenia HVAC, przede wszystkim wentylatory, mają stosunkowo dużą bezwładność i czas wybiegu. Nierzadko zachodzi potrzeba włączenia silnika, kiedy jeszcze wentylator jest w ruchu. W takim przypadku pomocna jest funkcja „lotnego startu”, umożliwiająca ponowne załączenie silnika przed całkowitym zatrzymaniem. Dzięki niej odzyskuje się energię kinetyczną zgromadzoną w poruszających się częściach i unika zwiększonego zużycia energii elektrycznej w fazie rozruchu.

Czy można zrobić coś jeszcze? Okazuje się, że tak: można zoptymalizować sterowanie wzbudzeniem. Więcej o tym w następnym wpisie.

Unikalne rozwiązania Mitsubishi Electric

Mitsubishi Electric stosuje w swoich przemiennikach częstotliwości unikalne rozwiązanie umożliwiające wyraźne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej. Efekt jest widoczny nawet w porównaniu z przetwornikami pracującymi w trybie oszczędzania energii.

Advanced optimum excitation control algorithm (AOEC), czyli zaawansowany algorytm sterowania wzbudzeniem, kontroluje pracę silnika i jego obciążenie w czasie rzeczywistym. Dzięki temu przy dużym obciążeniu (np. podczas uruchamiania urządzenia) ułatwia uzyskanie dużego momentu obrotowego. Ułatwia on optymalne wykorzystanie silnika w stanach jego niedociążenia i w zakresie niskich prędkości obrotowych. Taka sytuacja ma miejsce w układach wentylacyjnych, klimatyzatorach itp.

Tradycyjne falowniki nie są tak bardzo elastyczne i nie potrafią dostosować się precyzyjnie do szybko zmieniających się warunków pracy silnika. AOEC opłaca się zastosować wszędzie tam, gdzie podczas cyklu pracy urządzenia występują okresy znacznie różniące się zapotrzebowaniem na moc. Jeśli w większości wypadków można osiągnąć optymalną wydajność napędzanego urządzenia, nie osiągając granicznych wartości parametrów eksploatacyjnych silnika, oszczędności są znaczne.

Teoretycznie silnik napędzający wentylator pracujący z wydajnością na poziomie 50% pobiera 1/8 mocy znamionowej. W rzeczywistości moc jest nieco większa, ale wynika to z niedoskonałości silnika, konwertera i konstrukcji mechanicznej napędzanego urządzenia. Mimo tego gra jest warta świeczki, a nakłady poniesione na zakup, instalację i uruchomienie falowników Mitsubishi Electric zwracają się bardzo szybko.

Z praktyki naszych klientów wynika, że zastosowanie przetworników częstotliwości wykorzystujących AOEC do zasilania silników w systemie wentylacji budynku może przynieść oszczędność energii elektrycznej rzędu 30–40% w porównaniu ze standardowym trybem skalarnym. Także w porównaniu z trybem Energy Saving AOEC wypada lepiej, pobierając z sieci 20–30% energii mniej. W rezultacie otrzymujemy nie tylko niższe koszty eksploatacji urządzeń, ale także wydłużamy ich żywotność.